人工神経代替装置によるニューロリハビリテーション法の開発

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23680061
• 研究機関: 生理学研究所
• 研究代表者: 西村 幸男 生理学研究所, 発達生理学研究系, 准教授 (20390693)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 脊髄損傷 / 人工神経接続 / BCI / 脊髄 / 磁気刺激

研究概要

本年度の目標であった脊髄損傷患者に対して人工神経接続により随意歩行の機能再健の実験を行った。下肢の運動・感覚麻痺と呈する2名の完全脊髄損傷患者に対して、上肢の筋活動で様髄への磁気刺激をすることにより、損傷した大脳皮質と腰髄間の神経結合を代替したところ、自在に下肢の歩行運動の開始、歩行サイクルを随意的に制御できた。本成果は世界で初めて、完全脊髄損傷患者に対して、失った神経経路をBCIで代替し、随意歩行機能の再掲に成功した。健常人の人工神経接続による歩行機能再健の論文は投稿し、査読中である。
脊髄刺激の安全性を検討する目的で、脊髄刺激による自律神経応答を健常人20名及び脊髄損傷患者2名で検討した。健常人では脊髄刺激による循環器系応答に影響が観られなかった。一方、脊髄損傷患者では脊髄刺激後の一過性の心拍数と血圧の上昇が見られ、脊髄損傷患者に対する脊髄刺激をする際には注意が必要であることが明らかになった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初最終目標であった完全脊髄損傷患者での人工神経接続による機能再健に成功した。

今後の研究の推進方策

本年度は、不完全脊髄損傷患者での人工神経接続の実験を行い、人工神経接続によるリハビリテーション効果について検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Plasticity for recovery after partial spinal cord injury -hierarchical organization- (2014)
  • 著者名/発表者名: Isa T, Nishimura Y.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 78 ページ: 3-8
  • DOI: doi: 10.1016/j.neures.2013.10.008.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction of hand trajectory from electrocorticography signals in primary motor cortex (2013)
  • 著者名/発表者名: Chen C, Shin D, Watanabe H, Nakanishi Y, Kambara H, Yoshimura N, Nambu A, Isa T, Nishimura Y, Koike Y.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 8 ページ: e83534
  • DOI: doi:10.1.71/journal.pone.0083534. eCollection 2013.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spike-Timing-Dependent Plasticity in Primate Corticospinal Connections Induced during Free Behavior. (2013)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Y, Perlmutter SI, Eaton RW, Fetz EE
  • 雑誌名: Neuron 巻: 80 ページ: 1301-1309
  • DOI: doi: 10.1016/j.neuron.2013.08.028. Epub 2013 Nov.7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differential expression of secreted phosphoprotein 1 in the motor cortex among primate species and during postnatal development and functional recovery. (2013)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Y, Higo N, Yoshino-Saito K, Murata Y, Nishimura Y, Oishi T, Isa T.
  • 雑誌名: Journal of Neurophysiology 巻: 109 ページ: 2853-2865
  • DOI: doi:10.1152/jn.00814.2012.Epub 2013 Mar 20.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differential expression of secreted phosphoprotein 1 in the motor cortex among primate species and during postnatal development and functional recovery. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto T, Oishi T, Higo N, Murayama S, Sato A, Takashima I, Sugiyama Y, Nishimura Y, Murata Y, Yoshino-Saito K, Isa T, Kojima T.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 8 ページ: e65701
  • DOI: doi: 10.1371/journal.pone.0065701. print 2013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Restoration of upper limb movement via artificial corticospinal and musculospinal connections in a monkey with spinal cord injury. (2013)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Y, Perlmutter SI, Fetz EE.
  • 雑誌名: Frontiers Neural Circuits 巻: 7 ページ: 57
  • DOI: doi: 10.3389/fncir.2013.00057. eCollection 2013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional annotation of genes differentially expressed between primary motor and prefrontal association cortices of macaque brain. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kojima T, Higo N, Sato A, Oishi T, Nishimura Y, Yamamoto T, Murata Y, Yoshino-Saito K, Onoe H, Isa T.
  • 雑誌名: Neurochemical Research 巻: 38 ページ: 133-140
  • DOI: doi: 10.1007/s11064-012-0900-4. Epub 2012 Oct 10
  • 査読あり
• [雑誌論文] 硬膜下電位からのサル捕食運動中の状態判別とロボットアーム動作決定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 佐藤圭太, 森下壮一郎, 渡辺秀典, 西村幸男, 加藤龍, 伊佐正, 横井浩史
  • 雑誌名: 日本ロボット学会誌 巻: 31 ページ: 51-59
  • DOI: doi: 10.7210/jrsj.31.51, February 17, 2013.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of Direct vs. Indirect Pathways from the Motor Cortex to Spinal Motoneurons in the Control of Hand Dexterity (2013)
  • 著者名/発表者名: Isa T, Kinoshita M, Nishimura Y
  • 雑誌名: Frontiers in Neurology 巻: 4 ページ: 191
  • DOI: doi:10.3389/fineur.2013.00191
  • 査読あり
• [学会発表] Ventral striatum regulates activity of motor related areas during the recovery after spinal cord injury.
  • 著者名/発表者名: Masahiro Sawada, Kenji Kato, Hirotaka Onoe, Tadashi Isa,Yukio Nishimura
  • 学会等名: Mini-International Symposium
  • 発表場所: 生理学研究所（愛知）
• [学会発表] 一次運動野の皮質脳波を用いた腕軌道のデコーディング
  • 著者名/発表者名: 陳 超，辛 徳，中西 康彦，神原 裕行，吉村 奈津江，渡辺 秀典，南部 篤，伊佐 正，西村 幸男，小池 康晴
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] サル到達把持運動における皮質表面電位と皮質内局所電位の上肢運動・筋電位の推定精度の比較
  • 著者名/発表者名: 渡辺 秀典，佐藤 雅昭，南部 篤，西村 幸男，川人 光男，伊佐 正
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] ヒト腰髄に存在する歩行に関わるNeural module
  • 著者名/発表者名: 笹田周作、加藤健治、門脇傑、宇川義一、小宮山伴与志、西村幸男
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] 随意運動中の抹消感覚神経集団による運動キネマティクス情報の表現
  • 著者名/発表者名: 梅田達也、佐藤雅昭、川人光男、伊佐正、西村幸男
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] 歯髄幹細胞を用いた霊長類の脊髄損傷後機能回復
  • 著者名/発表者名: 加納史也、山本朗仁、酒井陽、西村幸男、伊佐正、上田実
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] サルの皮質脳波から推定した筋電信号を用いた腕の角度の推定
  • 著者名/発表者名: 辛 徳，中西 康彦，陳 超，神原 裕行，吉村 奈津江，渡辺 秀典，南部 篤，伊佐 正，西村 幸男，小池 康晴
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] 脳-筋肉間の人工神経接続による脳梗塞モデルサルの手の運動機能再建
  • 著者名/発表者名: 加藤健治、澤田真寛、西村幸男
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] 運動機能回復に対する腹側線条体の役割
  • 著者名/発表者名: 西村幸男
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] 脳表脳波を用いたワイヤレス体内埋込型ブレインマシンインターフェース装置
  • 著者名/発表者名: 平田雅之、松下光次郎、鈴木隆文、吉田毅、佐藤文博、梅田達也、西村幸男、長谷川功、安藤博士、シェイン モリス、柳沢琢史、貴島晴彦、川人光男、吉峰俊樹
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] 脊髄損傷後の回復過程における腹側線条体の役割
  • 著者名/発表者名: 澤田真寛、尾上浩隆、加藤健治、伊佐正、西村幸男
  • 学会等名: 第36回日本神経科学大会
  • 発表場所: 京都国際会館（京都）
• [学会発表] Estimation of Firing of Primary Afferents from Joint Kinematics During Voluntary Arm Movements of Monkeys.
  • 著者名/発表者名: Umeda Tatsuya, Sato Masa-aki, Kawato Mitsuo, Isa Tadashi, Nishimura Yukio
  • 学会等名: 第35回国際IEEE大会
  • 発表場所: 大阪国際会議場（大阪）
  • 招待講演
• [学会発表] Potentials of activity dependent stimulation during free behavior.
  • 著者名/発表者名: 西村幸男
  • 学会等名: Motor Control研究会
  • 発表場所: 東京大学(東京）
• [学会発表] 脊髄損傷からの機能回復戦略～神経メカニズムからSpinal Computer Interface～
  • 著者名/発表者名: 西村幸男
  • 学会等名: 第77回未来医療セミナー
  • 発表場所: 大阪大学（大阪）
  • 招待講演
• [学会発表] Motivational regulation of functional recovery after spinal cord injury.
  • 著者名/発表者名: Yukio Nishimura
  • 学会等名: The 3rd NIPS-CIN Joint Symposium
  • 発表場所: 生理学研究所（愛知）
• [学会発表] 人工神経接続による随意運動機能の再建
  • 著者名/発表者名: 西村幸男
  • 学会等名: 日本神経外科学会第72回学術総会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川）
  • 招待講演
• [学会発表] 大脳皮質ー筋間の人工神経接続による麻痺手の随意制御の再建
  • 著者名/発表者名: 加藤健治、澤田真寛、西村幸男
  • 学会等名: 第60回中部日本生理学会
  • 発表場所: 岐阜大学(岐阜）
• [学会発表] Neural modules for walking in human lumbar spinal cord.
  • 著者名/発表者名: S.Sasada, K.Kato, S.Kadowaki, T.Komiyama, Y.Ugawa,Y.Nishimura,
  • 学会等名: Neuroscience2013
  • 発表場所: サンディエゴ国際会議場（USA)
• [学会発表] Ventral striatum regulates brain activity of motor related areas during the recovery after spinal cord injury.
  • 著者名/発表者名: M.Sawada, K.Kato, H.Onoe, T.Isa, Y.Nishimura,
  • 学会等名: Neuroscience2013
  • 発表場所: サンディエゴ国際会議場（USA)
• [学会発表] 脳脊髄のつながりを人工的に強化する
  • 著者名/発表者名: 西村幸男
  • 学会等名: 第20320回理学療法士講習会
  • 発表場所: 富山県パレブラン高志会館(富山）
  • 招待講演